JPH05220147A - 超音波透過検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 骨組織の表面で屈折或いは反射する超音波成
分をできるだけ逃すことなく検出し、正確な超音波透過
量を測定する。 【構成】 （１）超音波を発射するトランスデューサに
対向する壁面に２次元トランスデューサアレイを設け、
広い面で透過超音波を検出して総和をとる。 （２）発射側においても２次元トランスデューサアレイ
を設け、被検体表面で反射し、戻ってくる超音波の量を
測定して透過量の補正をする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、骨粗鬆症（こつそしょ
うしょう）の診断等に利用される超音波透過検査装置或
いは超音波骨塩定量装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】骨粗鬆症はカルシウム不足等により骨組
織の密度が低下する症状であるが、その診断のため、骨
中に超音波を透過させ、骨中における超音波の速度（音
速）や透過量を測定することにより、骨の特性（骨塩密
度、スティフネス等）を定量測定するという方法が既に
考案されている。このような超音波検査は通常、軟組織
の薄い足の踵（かかと）に対して行なわれる。

【０００３】骨の特性を測定するための従来の装置（超
音波骨塩定量装置と呼ばれる）は、内壁に超音波発生器
と超音波検出器とが対向するように取り付けられた容器
（測定槽）を使用する。超音波発生器と超音波検出器に
は、通常、超音波トランスデューサと呼ばれる、超音波
の発生及び検出を１台で行なうことができる装置を用い
る。この測定槽内に、踵が超音波発生・検出器間を遮る
ように足を入れ、さらに、踵に超音波が入射する際の整
合を取るための（すなわち、踵の表面で反射される超音
波ができるだけ少なくなるようにするための）整合液と
して水を入れる。その状態で発生器から超音波を発射す
ると、超音波は踵骨を透過する際に、その骨塩量に応じ
た速度で伝播し、また、減衰を受ける。従って、検出器
により超音波の速度或いは透過量を測定することによ
り、被検体である踵骨の骨塩量に相当する量を測定する
ことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】超音波は音波であるた
め、音響インピーダンスの異なる伝播媒体の境界では屈
折或いは反射を生じる。上記の通り、超音波骨塩定量装
置では被検体である足の表面における反射を最小限に抑
えるために超音波整合液を使用するが、最も音響インピ
ーダンスの差が大きいのは足の中の骨組織とその周囲の
軟組織との間である。一方の壁面のトランスデューサか
ら発射された超音波は骨組織に入射するときには広がり
をもっているため、多くの成分はその表面で（及び骨組
織を出る際に）屈折を生じて更に広がる。そのため、従
来のように他方の壁面の検出側トランスデューサが発射
側のトランスデューサと同じ大きさである場合には、検
出される超音波の量は発射されたものの一部にしか過ぎ
なくなり、透過量測定に誤差が生ずるという問題があっ
た。また、骨組織の表面で反射する成分も同じように測
定誤差の原因となる。本発明はこれらの課題を解決する
ために成されたものであり、その目的とするところは、
骨組織の表面で屈折或いは反射する超音波成分をできる
だけ逃すことなく検出し、正確な超音波透過量を測定す
ることのできる超音波透過検査装置を提供することにあ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】まず、被検体の表面にお
ける屈折による誤差を低減するために成された第１発明
の超音波透過検査装置は、 １ａ）内部に被検体及び超音波整合液を入れる測定槽
と、 １ｂ）測定槽の一方の内壁に設けられた超音波発生素子
と、 １ｃ）上記内壁に対向する内壁において２次元的に配置
された複数の超音波検出素子から成る検出素子アレイ
と、 １ｄ）超音波発生素子から発射され検出素子アレイの各
超音波検出素子で検出された超音波の総和量から被検体
の超音波透過特性を算出する制御部と、 を備えることを特徴とする。

【０００６】また、上記に加え、被検体の表面における
反射による誤差をも低減するために成された第２発明の
超音波透過検査装置では、 ２ａ）内部に被検体及び超音波整合液を入れる測定槽
と、 ２ｂ）測定槽の一方の内壁に設けられた超音波発生素子
と、 ２ｃ）超音波発生素子の周辺に設けられた複数の超音波
検出素子から成る反射成分検出素子アレイと、 ２ｄ）上記内壁に対向する内壁において２次元的に配置
された複数の超音波検出素子から成る透過成分検出素子
アレイと、 ２ｅ）超音波発生素子から発射され反射成分検出素子ア
レイの各超音波検出素子で検出された超音波の総和及び
透過成分検出素子アレイの各超音波検出素子で検出され
た超音波の総和から、被検体の超音波透過特性を算出す
る制御部と、 を備えることを特徴とする。

【０００７】

【作用】第１発明では、超音波検出素子は、超音波発生
素子に対向する面で２次元的に広がっているため、被検
体の表面で屈折して進路が曲がった超音波も、いずれか
の超音波検出素子により検出されることになる。そのた
め、検出素子アレイの各超音波検出素子で検出された超
音波の総和Ｓｔをとることにより、被検体を透過した超
音波の量をもれなく検出することができる。被検体の超
音波減衰度は、超音波発生素子と検出素子アレイとの間
に被検体を介在させない状態で超音波発生素子から発射
された超音波を検出素子アレイの各超音波検出素子で検
出した総和Ｗｔを基準として、それに対する比Ｓｔ／Ｗ
ｔで表わす。なお、このような単純な式ではなく、被検
体及び超音波整合液における超音波の伝播距離等を考慮
した値を算出するようにしてもよい。

【０００８】第２発明では、第１発明に加えて、被検体
の表面で反射して超音波発生素子側に戻ってきた超音波
を、反射成分検出素子アレイの各超音波検出素子が検出
する。この反射超音波の総和量Ｓｒを上記式の基準量Ｗ
ｔから差し引くことにより、より正確な被検体の超音波
減衰度Ｓｔ／（Ｗｔ−Ｓｒ）を求めることができる。こ
こでも上記同様に、被検体及び超音波整合液における超
音波の伝播距離等を考慮した値を算出するようにしても
よい。

【０００９】なお、いずれの構成においても、超音波発
生素子及び超音波検出素子として、発生・検出の双方の
機能を有する超音波トランスデューサを用いることがで
きる。

【００１０】

【実施例】本発明の一実施例である超音波骨塩定量装置
を図１〜図５により説明する。本装置は図２に示す通
り、測定部１０、整合液制御部１１、超音波発生制御部
１２、超音波検出部１３、周波数制御部１４、時間差測
定部１５、強度測定部１６、及び主制御部１７から成
る。主制御部１７はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等（図示せ
ず）を備えたマイクロコンピュータにより構成され、予
めＲＯＭに格納されたプログラムに従って後述するよう
な骨塩定量処理を行なう。測定部１０には図１に示す通
り、被検体である踵（足）を入れる測定槽２０、及び、
測定槽２０の内壁に対向して設けられた１対の超音波ト
ランスデューサアレイ２１、２２が含まれる。超音波ト
ランスデューサアレイ２１、２２はいずれも多数の超音
波トランスデューサが２次元的に配列されたものであ
り、各トランスデューサは超音波を発生するとともに、
検出することもできる。

【００１１】本超音波骨塩量測定装置による骨塩量測定
の手順を図３のフローチャート及び図４、図５により説
明する。まず、整合液制御部１１より所定温度に制御さ
れた超音波整合液（例えば、水）を所定量だけ測定槽２
０内に注入し、被検体である足を測定槽２０内に入れて
測定準備を整える（ステップＳ１）。

【００１２】次に、各トランスデューサアレイ２１、２
２により、測定槽２０の各内壁から被検体までの距離を
測定する（ステップＳ３）。例えば、一方のトランスデ
ューサアレイ２１によりその側の距離を測定する手順を
図４により説明する。まず、超音波発生制御部１２を用
いて、トランスデューサアレイ２１の中の１個のトラン
スデューサ２１１から超音波パルスを発射させる。そし
て、トランスデューサアレイ２１の全てのトランスデュ
ーサ（発射したトランスデューサ２１１も含む）によ
り、被検体１８の表面で反射された超音波を検出する。
なお、ここでは距離を測定することを目的とするため、
できるだけ空間分解能の良い、高い周波数を使用するこ
とが望ましい。そのため、ここで発射する超音波の周波
数は後述の減衰度測定の際に使用する超音波の周波数よ
りも高いもの（例えば３ＭＨｚ程度のもの）を使用す
る。発射超音波の周波数の設定は、周波数制御部１４が
行なう（ステップＳ２）。

【００１３】時間差測定部１５では、トランスデューサ
２１１で超音波パルスが発射されてから各トランスデュ
ーサ２１２で反射パルスが検出されるまでの時間差を測
定し、その時間差を基に、発射トランスデューサ２１１
−被検体１８の表面−検出トランスデューサ２１２の間
の距離Ｌ1＋Ｌ11を算出する（超音波整合液における超
音波の速度は後述するように別途検出する）。発射トラ
ンスデューサ２１１と検出トランスデューサ２１２との
間の距離ｄは既知であるため、この側の壁面と被検体１
８の表面との間の距離Ｌ1は測定値Ｌ1＋Ｌ11から算出す
ることができる。このようにして、トランスデューサア
レイ２１の全てのトランスデューサ２１１について被検
体１８の表面との間の距離Ｌ1を測定する。同様にし
て、反対側の内壁のトランスデューサアレイ２２につい
ても各トランスデューサと被検体１８との間の距離Ｌ2
を測定する。測定槽２０の両内壁の間の距離Ｌは既知で
あるため、対応するトランスデューサによる測定値Ｌ
1、Ｌ2をこの距離Ｌから引くことにより、被検体１８の
（超音波透過方向の）厚さＬbをトランスデューサアレ
イ２１、２２の各点について検出することができる。

【００１４】この距離データを基に、所定の基準によ
り、超音波透過測定を行なう点或いは領域を決定する
（ステップＳ４）。例えば、被検体１８の厚さＬbが最
も大きい点、或いは、その点の周辺の所定数のトランス
デューサの領域、等として定めることができる。

【００１５】被検体１８が足（踵）である場合には、ト
ランスデューサアレイ２１に戻ってくる超音波には、足
の表面（皮膚）で反射されるものと、足の内部の軟組織
と骨組織との境界で反射されるものがある。すなわち、
上記「被検体１８の表面」とは、皮膚である場合と骨組
織の表面である場合とがある。しかし、これらの表面で
反射され、戻ってくる超音波パルスの到達時刻には時間
的なズレがあるため、両者は区別して検出することがで
きる。いずれを採用するかは測定目的に応じて選択する
ことができるが、骨塩定量を行なう場合には、骨組織の
表面までの距離を測定する。

【００１６】トランスデューサアレイ２１の各トランス
デューサで検出される超音波の強度の分布は、反射面
（足１８の表面或いは足１８の内部の軟組織と骨組織と
の境界）がトランスデューサ２１１の表面に平行である
場合には図４に示すように発射した箇所で最も高いピー
クを有するようになるが、反射面が傾いている場合には
必ずしもそうはならず、発射したトランスデューサ２１
１では僅かの量の超音波しか検出されないこともあり得
る。本実施例の超音波骨塩定量装置では、このような場
合でも確実に距離を測定することができるという利点が
ある。

【００１７】次に、上記の距離測定で選択された点又は
領域のトランスデューサを用いて、超音波透過測定を行
なう。これを図５により説明する。まず、被検体１８中
での超音波の減衰を少なくして精度の良い測定を行なう
ため、周波数制御部１４により使用超音波の周波数を距
離測定の際に用いたものよりは低い周波数（例えば５０
０ｋＨｚ程度）に設定する（ステップＳ５）。そして超
音波発生制御部１２により一方のトランスデューサアレ
イ２１の中の選択されたトランスデューサ２１３から超
音波を発射し（ステップＳ６）、対向するトランスデュ
ーサアレイ２２の各トランスデューサ２１４でそれを検
出する（ステップＳ７）。トランスデューサ２１３から
発射された超音波は被検体１８（踵骨）の表面で屈折し
て広がるため、対向するトランスデューサアレイ２２で
は広い範囲のトランスデューサ２１４で超音波が検出さ
れる。検出された超音波の強度値は超音波検出部１３か
ら強度測定部１６に送られ、そこで全て加算される（ス
テップＳ８）。この加算値（総和）をＳｔとする（透過
成分量）。

【００１８】次に、被検体１８を測定槽２０から出し
（ステップＳ９）、被検体が介在しない状態で同じトラ
ンスデューサ２１３から超音波を発射し（ステップＳ１
０）、トランスデューサアレイ２２の全てのトランスデ
ューサ２１４でそれを検出する（ステップＳ１１）。こ
のときの全超音波検出量の加算値（総和）をＷｔとする
（基準量。ステップＳ１２）。なお、このとき、超音波
整合液（水）中における超音波の速度も測定する。

【００１９】簡単な検査であれば、Ｓｔ／Ｗｔを被検体
１８による超音波減衰度として検査値として用いること
ができる。ここでいう減衰度Ｓｔ／Ｗｔは次のようにし
て求められる。いま、ステップＳ６、Ｓ１０でトランス
デューサ２１３から発射された超音波の強度をＩ0とす
ると、それぞれの超音波検出量の総和Ｓｔ、Ｗｔは次の
ように表わされる。 Ｓｔ＝Ｉ0・exp｛−μw・（Ｌ−Ｌb）−μb・Ｌb｝ Ｗｔ＝Ｉ0・exp｛−μw・Ｌ｝ ここで、μw、μbはそれぞれ超音波整合液（水）及び被
検体１８の減衰率（係数）、Ｌはトランスデューサ間の
距離、Ｌbは被検体１８の厚さである。これらの式よ
り、減衰度Ｓｔ／Ｗｔは Ｓｔ／Ｗｔ＝exp｛（μw−μb）・Ｌb｝ となる。

【００２０】しかし、ここで測定されたＷｔには、被検
体１８の表面で反射される分も含まれているため、更に
厳密な測定を行なうためには、被検体１８の表面で反射
される超音波成分ＳｒをＷｔから除いておかなければな
らない。そのため、本実施例の超音波骨塩定量装置で
は、超音波を発射する側のトランスデューサアレイ２１
においても、各トランスデューサ２１５（発射トランス
デューサ２１３を含む）で、被検体１８の表面（ここで
は、踵骨の表面の他、足の表面（皮膚）も含む）で反射
され、戻ってくる超音波を検出する（ステップＳ７）。
そして、各トランスデューサ２１５により検出される超
音波の量の総和をとる（ステップＳ８）ことにより、反
射成分量Ｓｒを求めることができる。こうして、被検体
（踵骨）１８の超音波減衰度は、Ｓｔ／（Ｗｔ−Ｓｒ）
として求めることができる（ステップＳ１３）。被検体
である踵骨の骨塩量は、この減衰度の値を予め求められ
ている関係式（或いは変換テーブル）に代入することに
より求める。

【００２１】以上で被検体１８の超音波透過特性の検査
を一応終了するが、同様の手順を逆方向に行ない、すな
わち、トランスデューサアレイ２２からトランスデュー
サアレイ２１の方に超音波を透過させて同じように減衰
度を測定し、両測定によって得られた減衰度を平均した
値を被検体１８の減衰度とするようにしてもよい。ま
た、先に求めた被検体１８の厚さの値Ｌbを用いて、単
位距離当たりの減衰度を求めるようにしてもよい。

【００２２】減衰度測定については、ある範囲（例えば
２００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ）の各周波数について減衰度を
測定し、周波数に対する減衰度の変化の傾きにより骨の
物理的特性の評価を行なってもよい。

【００２３】

【発明の効果】本発明の超音波透過検査装置では、被検
体に入射する際に屈折して広がる超音波や、被検体表面
で反射する超音波も確実に検出するため、被検体の超音
波透過量をより正確に求めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例である超音波骨塩定量装置
の測定部の斜視図。

【図２】 実施例の超音波骨塩定量装置の構成を示すブ
ロック図。

【図３】 骨塩定量の際に主制御部が行なう処理を示す
フローチャート。

【図４】 一方の内壁面のトランスデューサアレイによ
り被検体までの距離を測定する際の原理を示す説明図。

【図５】 被検体の超音波透過特性を測定する際の原理
を示す説明図。

【符号の説明】

１０…測定部 １１…整合液制
御部 １２…超音波発生制御部 １３…超音波検
出部 １４…周波数制御部 １５…時間差測
定部 １６…強度測定部 １７…主制御部 １８…被検体（足） ２０…測定槽 ２１、２２…トランスデューサアレイ ２１１、２１３…発射トランスデューサ ２１２、２１４、２１５…検出トランスデューサ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １ａ）内部に被検体及び超音波整合液を
   入れる測定槽と、 １ｂ）測定槽の一方の内壁に設けられた超音波発生素子
   と、 １ｃ）上記内壁に対向する内壁において２次元的に配置
   された複数の超音波検出素子から成る検出素子アレイ
   と、 １ｄ）超音波発生素子から発射され検出素子アレイの各
   超音波検出素子で検出された超音波の総和量から被検体
   の超音波透過特性を算出する制御部と、 を備えることを特徴とする超音波透過検査装置。
2. 【請求項２】 ２ａ）内部に被検体及び超音波整合液を
   入れる測定槽と、 ２ｂ）測定槽の一方の内壁に設けられた超音波発生素子
   と、 ２ｃ）超音波発生素子の周辺に設けられた複数の超音波
   検出素子から成る反射成分検出素子アレイと、 ２ｄ）上記内壁に対向する内壁において２次元的に配置
   された複数の超音波検出素子から成る透過成分検出素子
   アレイと、 ２ｅ）超音波発生素子から発射され反射成分検出素子ア
   レイの各超音波検出素子で検出された超音波の総和及び
   透過成分検出素子アレイの各超音波検出素子で検出され
   た超音波の総和から、被検体の超音波透過特性を算出す
   る制御部と、 を備えることを特徴とする超音波透過検査装置。